Понижение коэффициента усиления ВРМБ в пассивных одномодовых волоконных световодах с многомодовым акустическим профилем Текст научной статьи по специальности «Физика»

вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты

уонтраст показателя преломления

ПОНИЖЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ВРМБ В ПАССИВНЫХ ОДНОМОДОВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ С МНОГОМОДОВЫМ АКУСТИЧЕСКИМ

ПРОФИЛЕМ

*

Цветков С.В. , Лихачев М.Е., Худяков М.М., Бубнов М.М.

Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва * E-mail: science@fopts.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16082

Исследуются структуры обыкновенных (со ступенчатым оптическим профилем показателя преломления (ППП)) пассивных кварцевых одномодовых световодов, обладающих пониженным коэффициентом усиления вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) за счет градиентного легирования сердцевины одновременно двумя различными добавками. Данная технология, успешно реализуемая стандартным MCVD методом, позволяет, сохраняя оптические свойства одномодового световода, без продольных вариаций его материально-геометрических параметров, потенциально добиться понижения порога ВРМБ на 10 дБ и более за счет повышения спектральной однородности многомодового акустооптического взаимодействия путем оптимизации радиально-неоднородного распределения акустического показателя преломления [1, 2].

Среди множества комбинаций добавок, различающихся по своему воздействию на оптический и/или акустический индексы [3], мы акцентируем внимание на сочетании оксида фосфора P2O5 и фтора F, имеющем хороший потенциал в получении высокого контраста акустического показателя преломления при современных технологических пределах легирования до 15мол.% P2O5 и до 7мол.% F [2]. Концентрация Cb(r) добавки P2O5 градиентно повышается от начального значения C0 в центре сердцевины световода к ее границе a на величину контраста AC (рис. 1б), при этом, чтобы скомпенсировать в области сердцевины прирост контраста An оптического показателя преломления (рис. 1а), концентрация Ci(r) добавки F, имеющей отрицательную рефрактивность, соответствующим образом меняется от нуля до максимума. Для увеличения радиуса сердцевины световода и количества акустических мод с сохранением его оптической одномодовости может быть добавлено фторированное кольцо толщиной b с контрастом AnF показателя преломления, определяемого уровнем CF концентрации фтора. Внешняя неограниченная среда является чисто кварцевой.

Распределения концентраций легирующих добавок определяют соответствующий профиль контраста AN акустического показателя преломления (рис. 1в) по формуле:

AN(r) = {KbCb(r) + KiCi(r)} / {1 - KbCb(r) - ВД/)}, (1) где Cb(r) = C + AC-x(r), Q(r) = (An - R,Cb(r)) /R, C0 = An/R , x(r) — нормированная функция распределения P2O5; Rbi и Kb,i -- оптическая и акустическая рефрактивности P2O5 и F, соответственно.

Из рис. 1в видно, что рассматриваемая структура дает возможность максимизировать число направляемых акустических мод и равномерность их возбуждения полем оптической моды накачки, что, особенно при большом контрасте концентраций AC, позволяет обеспечить большое подавление коэффициента усиления ВРМБ без учета влияния эффективной площади пятна самой оптической моды. К слову,

АС

С,

В)

о

сиу^

1Щ/ ш _. cF > • Ч'

F \ г

а а+Ь

Акустические профиль и моды

\ L|)24 0.2 - AN

/ с '-Ml 0.1 F

шщтттт _VLT r

о

а а+Ь

Радиальная координата

Рис. 1. Принципиальные формы структур световода с возможностью многомодового подавления ВРМБ более чем на 10дБ

164

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты

структура данного типа лучше всего подходит, именно, для низкоапертурных световодов с большой эффективной площадью моды.

Основываясь на известных принципах моделирования спектра усиления ВРМБ в приближении продольных акустических волн [4], мы провели расчеты спектров и коэффициентов подавления ВРМБ в световодах обоих типов со фторированным кольцом (СР = 5мол%) и без него. Спектр ВРМБ рассчитывался по формуле:

\2

5 (у)=(у/2) г, (2)

СЛ3Д/ ^ V, (у-/,) + (Д//2)2

где neff—эффективный показатель преломления оптической моды, X и с—длина волны и скорость света в вакууме, р = 2210кг/м3—плотность среды, р12 = 0.252—эласто-оптический коэффициент, Дv = 40МГц—ширина спектральной линии для одной акустической моды, v1—собственная частота 1-й акустической моды, 1= ¡^гСг / { /„ЕТсТ ■ /^гСг }- -коэффициент перекрытия нормированных распределений поля 1-й акустической моды (рис. 1в) и интенсивности Е фундаментальной оптической моды. Исследуемый коэффициент подавления ВРМБ рассчитывался как отношение максимальных значений спектров ВРМБ для ступенчатого (легированного только добавкой Р205 со значением ее концентрации в центре сердцевины Сь(0)=2.2мол.%) и оптимизированного акустического профиля (с изменением концентрации Р205 на ДС = 12мол.%) при одних и тех же оптических параметрах. В силу того, что при сохранении оптического одномодового режима этот коэффициент почти не зависит от длины волны X, представлены результаты расчета только для X = 1.55мкм; Уэю2 = 5944м/с.

10-

н

ÇÛ -

S 1с

sa : 60

0.1 г

Э

Рис. 2. Оптимизированные спектры ВРМБ для структур со фторированным кольцом и без него

На рис. 2 приведены результаты расчетов для оптимизированной структуры световода со фторированным кольцом и параметрами: An = 0.002, Cb = 2.2-14.2мол.% P2O5, Ci = 0-6.8мол% F, a = 11мкм, b = 2мкм, AnF = -0.008. Такой световод поддерживает 24 направляемые акустические моды L01-L024 и имеет коэффициент усиления ВРМБ на 11.1дБ меньше (на 10.3дБ без фтор. кольца), чем соответствующий световод с сердцевиной, равномерно легированной 2.2мол.% P2O5, и потому имеющий квази-одномодовый спектр ВРМБ с максимумом 14.1пм/Вт. Также для сравнения приведен спектр для такого же световода, но без фторированного кольца. Видно, что при схожей ширине спектр является более разреженным, т.е. составлен меньшим числом акустических мод (20), чему соответствует меньший коэффициент подавления ВРМБ, равный 10.3дБ. С понижением АС коэффициент подавления ВРМБ также понижается, а ширина спектра пропорционально сужается.

В результате подтвердилось, что с ростом числа акустических мод пропорционально растет потенциальный коэффициент подавления ВРМБ, достижимый при соответствующей оптимизации радиальных распределений добавок. Также найдено, что добавление фторированного кольца позволяет увеличить коэффициент подавления ВРМБ на величину до 20% при том же радиусе сердцевины.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №18-19-00687. Литература

1. Лихачев М. и др., Квантовая электроника 44, 1043-1047 (2014)

2. Nagel J., et al, J. Lightwave Technology 34, 928-942 (2016)

3. Jen C-K., et al., J. Am, Ceram. Soc. 76, 712-716 (1993)

4. Kobyakov A., Sauer M., and Chowdhury D, Advances in Optics and Photonics 2, 1-59 (2010)

Li 1 J HUI Л

со фтор, кольцом бе^ фтор, кольца П "

11.1дБ Ю.ЗдБ \

24 моды 20 мод I 1

il Li. iL Ji 1] ft II I \

2.2мол.% Р20?/ Ч V

.0 9.5 10.0 10.5 11.0

Частота, ГГц

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»

www.fotonexpres.rufotonexpres@mail.ru 165